CN216638917U - 一种液态钢渣制氢系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液态钢渣制氢系统，该系统采用底部向液体钢渣通入水蒸气的方式，使得水蒸气在与高温液体钢渣接触后发生化学反应产生氢气。转炉中排出的钢渣无需进行冷却，利用液态钢渣高温的特性即可以加快反应速度，无需消耗能源进行二次加热。可以在将炼钢出钢后排出的液体钢渣，水蒸气通过反应器底部吹入液态钢渣，充分利用液态钢渣的化学能，水蒸气和液态钢渣成分中的铁氧化物反应生成氢气。同时通过热交换溢出气体的热能，获取回收液态钢渣中的热能。还可以实现对收集到的气体进行净化，获得高纯度的氢气。

Description

一种液态钢渣制氢系统

技术领域

本实用新型涉及钢渣制氢技术领域，特别是涉及一种液态钢渣制氢系统。

背景技术

钢渣是钢铁工业中产生的废渣，其产生率为粗钢产量的8％～15％，近几年中国钢年产量在10亿吨以上，每年钢渣排放在1亿吨以上，因此，钢铁企业钢渣的处理和资源化利用问题也越来越受到重视。大量堆积的冶炼废渣不仅占用土地，也造成了资源浪费。目前，钢渣处理方法以堆积填埋为主，存在重金属污染的风险。综合利用钢渣的方法主要是：作为路基、矿坑填埋原料，作为冶金原料、作为建筑材料等。但是上述方法均存在钢渣利用不充分的问题。

另外，氢气是一种十分清洁的热能来源，其燃烧后产物是水，没有污染，而且本身也是无毒。工厂生产氢气的方法有以下几种：

1、电解水制氢：是目前应用较广且比较成熟的方法之一。无污染，但消耗电量极大。目前各种规模的水电解制氢装置数以百计，但均为小型电解制氢设备，其目的均为制取氢气小规模使用而非作为能源。

2、矿物燃料制氢：以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制取氢气是主要的方法。但这种方法制备的氢气纯度极低且成本过高，同时由于制备氢气过程中仍然需要消耗大量的矿物燃料，可见氢气的制备过程依然存在产生大量污染物的可能。

实用新型内容

本实用新型提供了一种液态钢渣制氢系统。

本实用新型提供了如下方案：

一种液态钢渣制氢系统，包括：

反应器，所述反应器的底部设置有底吹导气组件；

惰性气体供应单元，所述惰性气体供应单元与所述底吹导气组件相连，用于在液态钢渣加入所述反应器前开始通过所述底吹导气组件向所述反应器内供应惰性气体并在所述反应器内氧气浓度降至目标浓度后停止供应；

水蒸气供应单元，所述水蒸气供应单元与所述底吹导气组件相连，用于在所述反应器内氧气浓度达到所述目标浓度后通过所述底吹导气组件向所述反应器内供应水蒸气，以便所述水蒸气与所述液态钢渣反应产生氢气；

气体收集单元，用于对所述反应器内产生的所述氢气进行收集。

优选地：所述反应器包括底板，所述底吹导气组件包括设置于所述底板上的多圈环形管线，所述环形管线开设有若干通气孔；每圈所述环形管线均与所述水蒸气供应单元以及所述惰性气体供应单元相连。

优选地：所述反应器连接有转移单元，所述转移单元用于实现所述反应器在液体钢渣接收工位与反应工位之间位置的转移。

优选地：所述转移单元包括台车以及供所述台车行走的轨道。

优选地：所述气体收集单元包括收集罩以及气体净化组件；所述收集罩连接有升降机构，所述升降机构用于驱动所述收集罩上下运动，以使所述收集罩与所述反应器彼此分离或结合；所述气体净化组件包括依次相连的热交换器、除尘组件、切换阀组、气液分离器以及第一净化系统，所述第一净化系统与氢气储罐相连。

优选地：所述水蒸气供应单元包括水罐以及水蒸气发生组件；所述水罐与所述气液分离器相连。

优选地：所述收集罩设置有温度传感器，所述温度传感器用于对所述收集罩内的气体温度进行检查，以便在所述气体温度小于200℃后停止水蒸气的供应。

优选地：所述惰性气体供应单元包括惰性气体罐、第二净化系统以及惰性气体柜；所述惰性气体罐与所述切换阀组相连；所述惰性气体柜与所述底吹导气组件相连。

优选地：所述液态钢渣的温度为1300-1700℃。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

通过本实用新型，可以实现一种液态钢渣制氢系统，在一种实现方式下，该系统可以包括反应器，所述反应器的底部设置有底吹导气组件；惰性气体供应单元，所述惰性气体供应单元与所述底吹导气组件相连，用于在液态钢渣加入所述反应器前开始通过所述底吹导气组件向所述反应器内供应惰性气体并在所述反应器内氧气浓度降至目标浓度后停止供应；水蒸气供应单元，所述水蒸气供应单元与所述底吹导气组件相连，用于在所述反应器内氧气浓度达到所述目标浓度后通过所述底吹导气组件向所述反应器内供应水蒸气，以便所述水蒸气与所述液态钢渣反应产生氢气；气体收集单元，用于对所述反应器内产生的所述氢气进行收集。该系统结构简单合理，安装使用方便。可以在将炼钢出钢后排出的液体钢渣，水蒸气通过反应器底部吹入液态钢渣，充分利用液态钢渣的化学能，水蒸气和液态钢渣成分中的铁氧化物反应生成氢气。同时通过热交换溢出气体的热能，获取回收液态钢渣中的热能。转炉中排出的钢渣无需进行冷却，利用液态钢渣高温的特性即可以加快反应速度，无需消耗能源进行二次加热。首先通入惰性气体是为了排空反应器中的空气中的氧气，防止生成的氢气达到爆炸极限范围内发生爆炸。

当然,实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种液态钢渣制氢系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的转移单元的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的反应器底部的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的实验装置的结构示意图。

图中：反应器1、水蒸气供应单元2、水罐21、水蒸气发生组件22、惰性气体供应单元3、惰性气体罐31、第二净化系统32、惰性气体柜33、气体收集单元4、收集罩41、气体净化组件42、热交换器421、除尘组件422、切换阀组423、气液分离器424、第一净化系统425、环形管线5、转移单元6、氢气储罐7、轨道8、底吹管9、布氏漏斗10、液态钢渣11、气体收集管12、水箱13、气体收集器14、水15。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

参见图1、图2、图3，本申请实施例可以提供一种液态钢渣制氢系统，如图1、图2、图3所示，该系统可以包括：

反应器1，所述反应器1的底部设置有底吹导气组件；

惰性气体供应单元2，所述惰性气体供应单元2与所述底吹导气组件相连，用于在液态钢渣加入所述反应器前开始通过所述底吹导气组件向所述反应器 1内供应惰性气体并在所述反应器1内氧气浓度降至目标浓度后停止供应；

水蒸气供应单元3，所述水蒸气供应单元3与所述底吹导气组件相连，用于在所述反应器1内氧气浓度达到所述目标浓度后通过所述底吹导气组件向所述反应器1内供应水蒸气，以便所述水蒸气1与所述液态钢渣反应产生氢气；

气体收集单元4，用于对所述反应器1内产生的所述氢气进行收集。

本申请实施例提供的系统中反应器可以用于容置液体钢渣，水蒸气供应单元以及惰性气体供应单元可以分别通过反应器底部的底吹导气组件向反应器的内部供应水蒸气或惰性气体。产生的氢气可以通过气体收集单元进行收集。

可以理解的是，本申请实施例提供的惰性气体供应单元可以在钢渣被转移至反应器内之前即开始向反应器内供应惰性气体，这样不但可以保证更好的将反应器内的氧气浓度降低，同时还可以防止底吹导气组件的出气孔被液体钢渣堵塞。惰性气体供应结束后马上开始供应水蒸气，由于底吹导气组件的出气孔持续有气体流动，因此液态钢渣无法进入通气孔内不会造成通气孔的堵塞。在实际应用中，该惰性气体可以选择易于获得的氮气。

为了实现向该反应器内供应水蒸气更加均匀，本申请实施例可以提供所述反应器1包括底板，所述底吹导气组件包括设置于所述底板上的多圈环形管线 5，所述环形管线5开设有若干通气孔；每圈所述环形管线5均与所述水蒸气供应单元以及所述氮气供应单元相连。该反应器可以为钢制圆柱体，内部喷涂耐火材料；底板可以布置三个环形管线均匀分布和反应器底吹孔相连；中部在和运行车接触的耳部有进气装置和底部底吹孔相连；反应器上有天车吊运和倾倒装置。

可以理解的是，为了保证本申请实施例提供的反应器可以顺利接收转炉排出的液态钢渣，本申请实施例还可以提供所述反应器连接有转移单元6，所述转移单元6用于实现所述反应器1在液体钢渣接收工位与反应工位之间位置的转移。该转移单元可以包括运行台车，运行台车可以在钢轨上运行；运行台车有液体钢渣接收工位和反应工位两个工作位；运行台车由运行系统控制。

为了可以进一步的将收集到的气体进行净化处理，所述气体收集单元4 包括收集罩41以及气体净化组件42；所述收集罩41连接有升降机构(图中未示出)，所述升降机构用于驱动所述收集罩41上下运动，以使所述收集罩41与所述反应器1彼此分离或结合；所述气体净化组件42包括依次相连的热交换器421、除尘组件422、切换阀组423、气液分离器424以及第一净化系统425，所述第一净化系统425与氢气储罐7相连。该收集罩采用可升降的方式，可以使得在反应器在各个工位之间转移时不会受到收集罩的影响。热交换器用于降低收集到的气体的温度，防止对下游的处理器造成危害。除尘组件可以对收集到的气体的中颗粒物质进行分离。气液分离器可以将多余的水蒸气进行分离，保证获得的氢气干燥度。

为了可以实现对残留的水蒸气以及惰性气体进行回收再利用，本申请实施例可以提供所述水蒸气供应单元2包括水罐21以及水蒸气发生组件22；所述水罐21与所述气液分离器424相连；所述收集罩41设置有温度传感器(图中未示出)，所述温度传感器用于对所述收集罩41内的气体温度进行检查，以便在所述气体温度小于200℃后停止水蒸气的供应。

所述惰性气体供应单元3包括惰性气体罐31、第二净化系统32以及惰性气体柜33；所述惰性气体罐31与所述切换阀组423相连；所述惰性气体柜33 与所述底吹导气组件相连。

总之，本申请提供的液态钢渣制氢系统，结构简单合理，安装使用方便。可以在将炼钢出钢后排出的液体钢渣，水蒸气通过反应器底部吹入液态钢渣，水蒸气和液态钢渣成分中的铁氧化物反应生成氢气。无需对钢渣进行二次加热，即可获得高纯度的氢气。

本实用新型实施例提供了一种液态钢渣制氢系统可以实现由反应器底部的底吹孔向所述反应器内供应水蒸气，以使所述水蒸气以朝上流动的方式与位于所述反应器内的液态钢渣反应产生氢气；所述液态钢渣为未经冷却处理的钢渣。

本申请实施例提供的系统，采用由反应器底部向上的方式向液体钢渣通入水蒸气的方式，使得水蒸气在与高温液体钢渣接触后发生化学反应产生氢气。转炉中排出的钢渣无需进行冷却，利用液态钢渣高温的特性即可以加快反应速度，同时无需消耗能源进行二次加热。

在申请实施例提供的条件下水蒸气和液态钢渣中含有的有效物质的反应包括FeO的氧化和H₂O的还原等，其基于以下反应：

3FeO+H₂O＝Fe₃O₄+H₂ 反应1

3Fe+4H₂O＝Fe₃O₄+4H₂ 反应2

2Fe₃O₄+H₂O＝3Fe₂O₃+H₂ 反应3

为了进一步的提高水蒸气与液态钢渣的接触面积，以及提高接触时间，达到提高反应效率的目的，本申请实施例可以提供由所述反应器的底部向所述反应器内供应所述水蒸气。水蒸气由反应器的底部供应，使得水蒸气在上升的过程中，可以充分的与液态钢渣接触，产生的氢气可以与残留水蒸气一并被收集。

由于本申请实施例提供的系统在使用过程中反应器内始终处于高温状态，为了防止产生的氢气与空气中的氧气产生反应发生爆炸，本申请实施例可以提供由所述底吹孔向所述反应器内供应惰性气体以使所述反应器内的氧气浓度降低至目标浓度后，由所述反应器底部的底吹孔向所述反应器内供应水蒸气。在水蒸气通入前，向反应器内通入适量的惰性气体，惰性气体将反应器内的空气进行置换使得反应器内部的氧气含量降低，当氧气浓度达到目标浓度后即可保证产生的氢气不会发生爆炸，可以安全生产。

为了保证液体钢渣可以持续保持较高温度提高反应效率，本申请实施例可以提供所述液态钢渣为转炉出钢后转移至所述反应器内部的未经冷却处理的钢渣。由转炉内排出的液态钢渣无需进行额外的处理，可以直接被转移至反应器内，这样既可以减少其他处理环节带来的能量消耗，同时还可以保证送入反应器内的液态钢渣可以具有较高的温度。在实际应用中，所述液态钢渣的温度为1300-1700℃。在1300-1700℃温度下的液态钢渣，即可以保证反应效率高，同时使得液态钢渣降温至停止反应的时间更长，提高有效反应时间。

本申请实施例提供的系统在使用时：

液态钢渣接运：转炉出钢后，钢渣盘接收液态钢渣，通过台车运行到液体钢渣接收工位附近；

反应器在转移单元驱动下运行至液体钢渣接收工位，天车吊起钢渣盘将液态钢渣倒入停在液体钢渣接收工位的反应器中(此时反应器已经从底部通入惰性气体)；

反应器在转移单元驱动下运行到反应工位，降下气体收集罩和反应器紧密结合；

加大惰性气体通入量，底部吹入的惰性气体经过液态钢渣经气体收集罩收集，经过热交换器和除尘系统收集到惰性气体罐中；

检测气体收集罩中气体含量达到标准后，停止通入惰性气体，切换系统气体转换阀组；

从底部吹入水蒸气进入液态钢渣中，水蒸气和液态钢渣中的物质反应，反应气体进入气体收集罩，经过热交换器和除尘系统，以及气液分离器；

分离出来的气体进入净化系统除去杂质进入氢气罐储存；

分离的液态水收集到水罐中，循环使用；

当进入气体收集罩的气体温度小于200℃时，停止从底部通入水蒸气；

升起气体收集罩，在转移单元驱动下运行到反应工位，用天车将反应器吊起，将钢渣倾倒；

将排空的反应器重新放置在转移单元上，从底部吹入惰性气体；

重复上述过程，进行下一个循环。

为了验证本申请实施例提供的系统的可行性，本申请实施例可以提供实验室条件下利用实验装置进行验证，实验过程以及实验结果如下：

如图4所示，该实验装置可以包括底吹管9、布氏漏斗10、液态钢渣11、气体收集管12、水箱13、气体收集器14、水15。

试验过程：

1、称取100.0g钢渣装入坩埚，称取坩埚重量405.5g，将坩埚放入马弗炉中加热到1400℃；

2、称取布氏漏斗重量870.5g，

3、从马弗炉中取出坩埚，将液态钢渣倒入已经通入惰性气体的布氏漏斗中放到试验装置中；

3、当气体收集管有气体冒出时，切换通入水蒸气，开始排水收集法气体；

4、当坩埚温度低于200℃时，停止收集气体；

5、冷却坩埚到室温，进行称重311.3g；冷却布氏漏斗到室温，进行称重 966.1g；

6、分析收集气体成分。

试验结果：

1、通过试验倒入布氏漏斗的液态钢渣质量406.2-311.3＝94.9g,

2、反应增重966.1-870.5-94.9＝0.7g

3、收集气体经定性分析为氢气。

试验分析：

1、通过底部吹入水蒸气，液态钢渣中的FeO和H₂O反应充分；

3FeO+H₂O＝Fe₃O₄+H₂ 反应1

3Fe+4H₂O＝Fe₃O₄+4H₂ 反应2

2Fe₃O₄+H₂O＝3Fe₂O₃+H₂ 反应3

2、反应增重0.7g,通过计算应生成H₂0.98L,试验收集气体将近0.5L,存在其他反应，主要考虑是CaO+H₂O＝Ca(OH)₂,增加了水蒸气的消耗量。

试验结论：

通过底吹水蒸气与液态钢渣反应制氢是可行的。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种液态钢渣制氢系统，其特征在于，包括：

反应器，所述反应器的底部设置有底吹导气组件；

惰性气体供应单元，所述惰性气体供应单元与所述底吹导气组件相连；

水蒸气供应单元，所述水蒸气供应单元与所述底吹导气组件相连；

气体收集单元，用于对所述反应器内产生的氢气进行收集。

2.根据权利要求1所述的液态钢渣制氢系统，其特征在于，所述反应器包括底板，所述底吹导气组件包括设置于所述底板上的多圈环形管线，所述环形管线开设有若干通气孔；每圈所述环形管线均与所述水蒸气供应单元以及所述惰性气体供应单元相连。

3.根据权利要求1所述的液态钢渣制氢系统，其特征在于，所述反应器连接有转移单元。

4.根据权利要求3所述的液态钢渣制氢系统，其特征在于，所述转移单元包括台车以及供所述台车行走的轨道。

5.根据权利要求3所述的液态钢渣制氢系统，其特征在于，所述气体收集单元包括收集罩以及气体净化组件；所述收集罩连接有升降机构；所述气体净化组件包括依次相连的热交换器、除尘组件、切换阀组、气液分离器以及第一净化系统，所述第一净化系统与氢气储罐相连。

6.根据权利要求5所述的液态钢渣制氢系统，其特征在于，所述水蒸气供应单元包括水罐以及水蒸气发生组件；所述水罐与所述气液分离器相连。

7.根据权利要求5所述的液态钢渣制氢系统，其特征在于，所述收集罩设置有温度传感器。

8.根据权利要求5所述的液态钢渣制氢系统，其特征在于，所述惰性气体供应单元包括惰性气体罐、第二净化系统以及惰性气体柜；所述惰性气体罐与所述切换阀组相连；所述惰性气体柜与所述底吹导气组件相连。

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